İndir - Adnan Menderes Üniversitesi

Yorumlar

Transkript

İndir - Adnan Menderes Üniversitesi
Adnan Menderes Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi 2012; 9(1) : 39 - 44
Derleme
BİTKİLERDE ATP BAĞLI KASET (ABC) TAŞIYICI PROTEİNLERİNİN YAPISAL
ÖZELLİKLERİ
Birsen ÇAKIR1, Ozan KILIÇKAYA2
ÖZET
ATP Bağlayan Kaset (ABC) Taşıyıcıları membran proteinleri içerisinde en büyük ve çeşitlenmiş ailelerden
birisidir. Temelde ATP hidrolizi ile oluşan enerjiyi kullanarak hücre membranından madde geçişinden
sorumludurlar. Diğer taraftan ailenin bazı üyeleri RNA susturulması ve kromozom stabilizasyonu gibi farklı
metabolik olaylarda rol alırlar. ABC taşıyıcıları yapısal olarak iki Nükleotid Bağlanma Domaini (NBD) ve iki
Transmembran Domain'den (TMD) oluşurlar. Genetik hastalık, çoklu ilaç direnci ve kanser ile ilişkili
olduğundan dolayı ABC taşıyıcıları, memeli ve mikrobiyal sistemlerde yoğun bir şekilde çalışılmış olmasına
rağmen, bitkilerde pek fazla çalışmaya rastlanmamaktadır. Bitkilerde ABC taşıyıcıları, abiyotik/biyotik stres
cevabının kontrolü ve bitki gelişiminde önemli görevler almaktadır. Bu derlemede ABC taşıyıcılarının yapıları ve
görevleri hakkında genel bilgi verilerek, bitkilerde ABC taşıyıcıları hakkında yapılmış çalışmalar tartışılmıştır.
Anahtar Kelimeler: ABC Bağlı Kaset (ABC) Taşıyıcıları, membran taşıyıcıları,
Structure of Atp Binding Cassette (ABC) Transporters in Plants
ABSTRACT
ATP Binding Cassette (ABC) Transporters are one of the largest and diverse protein families in membrane
proteins. They are mainly responsible for transporting the substrates across the cellular membrane by using
energy from ATP hydrolysis. However some members of this family play different roles in metabolism such as
RNA silencing, chromosome stabilization etc. The main structure of ABC transporters consists of two Nucleotide
Binding Domains (NBDs) and two Transmembrane Domains (TMDs). ABC Transporters have been widely
studied in mammalian and microbial systems because of their relation with genetic disorders, multidrug
resistance and cancer. On the other hand plant ABC transporters play important roles in regulating abiotic/biotic
stress response and plant development. This review summarizes literature relevant to the studies of plant ABC
transporters, and reviews their structure and functions.
Key Words: ATP Binding Cassette (ABC) Transporters, membrane transporters
GİRİŞ
Biyolojik membranlar hücre ve hücre içi yapıları
organelleri çevreleyerek onların bütünlüğünü
sağlayan basit ve pasif bir yapı olmaktan öte, iç ve dış
çevre ile sıkı bir şekilde etkileşerek metabolizmanın
düzenlenmesinde görev alan aktif karmaşık bir
yapıdır. Yapı temel olarak çift tabaka fosfolipitler,
lipitlerin arasında ve yüzeyinde bulunan protein
yapılardan ve bu iki molekül grubuna bağlı olarak
membran yüzeyinde bulunan karbonhidratlardan
oluşmuştur (Purves ve ark. 2000; Lodish ve ark.
2003). Membran seçici geçirgen bir karaktere sahip
olup su ve iyon gibi hidrofilik moleküllerin hızlı bir
şekilde geçişini sağlarken, yapısında bulunan
proteinler ile de diğer maddelerin geçişini ve sinyal
transferini gerçekleştirir. Karbonhidratlar ise genel
olarak hücre-hücre tanınmasında ve sinyal
transferinde görev alır (Purves ve ark. 2000; Lodish ve
ark. 2003). Hücre membranı; (i) madde taşınımını
sağlayan taşıyıcı proteinleri, (ii) zarın iç kısmına bağlı
enzim yapıları, (iii) dış çevredeki değişimleri saptayan
reseptör proteinleri, (iv) hücre karakteristiğini
gösteren ve hücrenin tanınmasını sağlayan yüzey
proteinleri, (v) hücre-hücre etkileşiminde görev yapan
1
ve hücreleri birbirine bağlayan adezyon proteinleri ve
(vi) hücreleri hücre iskeletleri ile birbirine bağlayan
bağlantı proteinleri gibi yapılarla çok çeşitli metabolik
yolları kontrol eder (Purves ve ark. 2000; Lodish ve
ark. 2003).
ATP Bağlayan Kaset Taşıyıcıları (ATP Binding
Cassette Transporters)/ABC Taşıyıcıları (ABC
Transporters) süper ailesi, membran proteinleri
içerisinde yer alan ve en büyük protein ailelerinden
biridir (Higgins 1992; Higgins ve Linton 2003). ATP
Bağlayan Kaset Taşıyıcıları ailesine ait proteinler
temelde sitoplâzma ile dış çevre arasında
oluşturdukları kanal yapısı ile ATP'nin bağlanması ve
hidrolizi sonucu oluşan enerjiyi kullanarak
konsantrasyon farkına karşı maddelerin her iki yönde
taşınmasında görev alırlar (Fath ve Kolter 1993;
Theodoulou 2000; Jones ve ark. 2009; Rees ve ark.
2009; Licht ve Schneider 2011). Madde taşınmasını
her iki yönde de (dış çevreden içeriye veya tam tersi)
gerçekleştirebilirler. Fakat henüz aynı taşıyıcının her
iki yönde de taşıma yaptığı gösterilmemiştir (Higgins
1992; Higgins ve Linton 2003). ABC taşıyıcıları ailesi
temel olarak membran üzerinden maddelerin
taşınmasından sorumlu olsa da, evrimsel olarak
yüksek oranda çeşitlenmiş bu protein ailesi içerisinde;
(i) ozmotik denge sağlanması, (ii) besin alımı, (iii)
Ege Üniversitesi, Ziraat Fakültesi, Bahçe Bitkileri Bölümü, 35100 Bornova ,İZMİR
Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Çok Disiplinli Anabilim Dalları, Biyoteknoloji Anabilim Dalı, 35100 Bornova, İZMİR
2
39
Bitkilerde Atp Bağlı Kaset (ABC) Taşıyıcı Proteinlerinin Yapısal Özellikleri
antibiyotik ve toksik maddelere direnç sağlanması,
(iv) hücre bölünmesi, (v) kolesterol ve yağ trafiğinin
düzenlenmesi, (vi) hücre bağışıklığının sağlanması,
(vii) kök hücre gelişimi ve bakteriyel bağışıklık
sağlanması, (viii) DNA tamiri ve RNA translasyonu
gibi farklı birçok hücresel olaylarda da görev alan
proteinler bulunmaktadır (Higgins 1992; Theodoulou
2000; Higgins ve Linton 2003; Jones ve ark. 2009;
Rees ve ark. 2009; Licht ve Schneider 2011).
Üç âlemde de (arke, bakteri ve ökarya) mevcut
olan ABC taşıyıcı proteinleri yapısal olarak temelde
iki “Transmembran Domain” (TMD) ve iki
“Nükleotid Bağlanma Domain'den” (NBD) oluşur
(Oswald ve ark. 2006; Licht ve Schneider 2011).
Karşılaştırmalı DNA ve protein dizi analizi
sonuçlarına göre bu domainlerin tek bir gen üzerinden
kodlanarak sentezlenebileceği gibi birden fazla gen
tarafından kodlanarak da sentezlenebileceği
gösterilmiştir (Higgins 1992; Fath ve Kolter 1993;
Theodoulou 2000; Licht ve Schneider 2011). Bu
farklılığa bağlı olarak ABC taşıyıcı protein ailesi
yapısal olarak üç ana gruba ayrılmaktadır. Birinci
grubu aynı gen üzerinden iki adet NBD ve TMD
kodlanan tam molekül ABC taşıyıcıları, ikinci grubu
ise NBD ve TMD'nin bir tek kopyasını aynı gen
üzerinden kodlayan yarım molekül ABC taşıyıcıları
oluşturur. Genlerin sahip olduğu bu farklı genomik
organizasyon protein yapısının da farklı olmasına
(monomerik, homo-heterodimerik veya tetramerik)
neden olur. Üçüncü ve son grubu ise sadece NBD
taşıyan ve taşıma işi dışında görev almayıp diğer
metabolik olaylarda görev yapan çözünür ABC
taşıyıcı proteinleri oluşturur (Linton ve ark. 2003;
Varadi ve ark. 2003; Oswald ve ark. 2006; Rees ve ark.
2009).
ABC TAŞIYICI PROTEİNLERİNİN YAPISAL
ORGANİZASYONU
ABC taşıyıcılarının yapısında bulunan TMD ve
NBD proteinin iş görebilmesi için farklı görevler
üstlenmişlerdir. TMD, taşıyıcının membran üzerinde
bir kanal yapısı oluşturarak maddelerin taşınımını
gerçekleştirdiği bölgedir. Farklı taşıyıcılarda evrimsel
olarak oldukça farklılaşmış protein dizilerine sahip
olan TMD, yüksek hidrofobik karaktere sahip heliks
yapılardan oluşmuştur. Transmembran heliks yapı,
membran üzerinde iç ve dış çevre arasında beş ila on
arası zikzak bir hat çizerek, kanal yapısının oluşmasını
sağlar. Bu özelliklerinden dolayı TMD amino asit,
peptit, vitamin, hormon, ilaç, toksik madde, metal
kompleksleri, inorganik asitler gibi farklı birçok
maddenin seçici bir şekilde taşınımı
gerçekleştirilebilir (Locher 2004; Oswald ve ark.
2006; Licht ve Schneider 2011).
TMD'nin evrimsel olarak oldukça farklılaşmış
yapısına karşın NBD %30 ila %50 arası dizi
benzerliğine sahip olup, ABC proteinlerinin görev
yapması için gerekli olan ATP'nin bağlandığı ve
40
hidrolizinin gerçekleştiği yerdir. NBD yaklaşık 200
amino asitlik bir bölgeden oluşan P-loop/Walker A
(GXXGXGK(S/T) ve Walker B [(hidrofobik amino
asit)4 (D/E)] motiflerine sahiptir. Bu dizilerin arasında
ise ABC taşıyıcı proteinlerinin karakteristik imzası
olan C motifi ([LIVMFY]S[SG]GX3
[RKA][LIVMYA]X[LIVMF] [AG] genel olarak
LSGGQ) yer alır. Walker A ve B motifleri tüm ATP
hidrolizi gerçekleştiren proteinlerde bulunurken, Cmotifi sadece ABC taşıyıcı proteinleri için spesifiktir.
Bu üç temel motifin haricinde Q loop ve H motifi adlı
iki farklı korunmuş bölge de bulunmaktadır. Burada
Walker A motifi bir ilmek oluşturarak ATP'nin α ve βfosfatlarına bağlanır, Walker B motifinin sahip
olduğu β-katlanma Mg++ iyonlarını dengeleyerek ATP
molekülünü sabitler. Walker B sonrasında bulunan
glutamik asit ise ATP hidrolizini gerçekleştirir. H
motifi ve C motifi ise γ-fosfatı stabilize ederek
nükleotid bağlanma bölgesini oluştururlar (Higgins
1992; Theodoulou 2000; Oswald ve ark. 2006; Rea
2007).
NDB ve TMD dışında sadece dışarıdan içeri
yönlü madde taşınımında görev alan ABC
taşıyıcılarında Substrat Bağlanma Proteini (Substrate
Binding Protein/SBP) bulunur. Bu protein taşınacak
olan maddeye yüksek özgüllükte bağlanarak
maddenin TMD'ye taşınmasını sağlar. Yapısal olarak
iki globüler domaine sahiptirler (Higgins 1992; Fath
ve Kolter 1993; Licht ve Schneider 2011). Taşıma
işinde TMD yapısı, taşınacak maddeye doğrudan
bağlanmaz. SBP Gram-negatif bakterilerde
periplazmik boşlukta yer alırken, arke ve Gram-pozitif
bakterilerde lipit bir çapa yardımı ile membrana
tutunarak iş görür (Higgins 1992; Fath ve Kolter
1993).
ABC taşıyıcı proteinleri tüm canlılarda
bulunmasına rağmen sayısal olarak bakteri veya
hayvanların, bitkilere kıyasla daha az ABC
taşıyıcısına sahip olduğu görülmektedir. Diğer
taraftan genom büyüklüğü ile karşılaştırıldığında
bakterilerin daha yoğun ABC taşıyıcı proteinlere sahip
olduğu görülmektedir. Sırasıyla monokotiledon ve
dikotiledon bitkiler için model olarak kullanılan
Arabidopsis thaliana ve Oryza sativa genomlarında
120'nin üzerinde ABC taşıyıcı proteine sahiptirler
(Sanchez-Fernandez ve ark. 2001; Garcia ve ark.
2004). Bitkilerde sayının fazla oluşu durağan olarak
yaşayan bitkilerin, biyotik ve abiyotik streslere karşı
savunma geliştirmesi, iç ve dış kaynaklı toksinlerin
atılımının sağlanması, yoğun metabolizma ve
fotosentez sonucu oluşan ürünlerin çeşitliliği, ABC
proteinleri tarafından düzenlenmesi gerekliliğinden
kaynaklandığı düşünülmektedir.
ABC Taşıyıcı protein ailesi bitkilerde
Arabidopsis thaliana ve Oryza sativa genomlarının
yayımlanması ile birlikte proteinlerin yapısal
farklılıklarına ve hücrede aldığı göreve bağlı olarak 13
farklı alt aileye ayrılarak sınıflandırılmıştır (SanchezFernandez ve ark. 2001; Rea, Sanchez-Fernandez ve
Çakır ve Kılıçkaya
ark. 2003; Schulz ve Kolukisaoglu 2006; Rea 2007;
Yazaki ve ark. 2009; Licht ve Schneider 2011). Buna
göre; MDR (Multidrug Resistance homologları),
MRP (Multidrug Resistance Associated homologları),
PDR (Pleiotropic Drug Resistance homologları) ve
AOH (ABCA1 homologları) tam molekül ABC
taşıyıcılarını; PMP (Peroxisomal Membrane Protein
homologları), WBC (White Brown Complex
homologları), ATH (ABC2 homologları), ATM
(Mitokondriyal ABC taşıyıcıları homologları) ve TAP
(Antijen üretimi ile ilgili taşıyıcıların homologları) ise
yarım molekül ABC taşıyıcılarını; membrana bağlı
olmayan ve RLI (RNaz L inhibitör homologları), GCN
(maya GCN-20 homologları) ve SMC (kromozom
yapısal onarım homologları) alt aileleri de üçüncü
grubu oluşturur. Bu gruplardan herhangi birine
girmeyen ve yapısal benzerlikleri bulunmayan bir
diğer alt aileyi de NAP (Non Intrinsic ABC
taşıyıcıları) oluşturur.
Diğer taraftan bitki ABC taşıyıcı proteinlerinin
tüm ABC taşıyıcılar ile tek bir isimlendirme ile
sınıflandırılması sistemi de kullanılmaktadır. Burada
HUGO (human genome organization) tarafından
onaylı omurgalı ve omurgasız grupları için kullanılan
alt aile sınıflandırması kullanılmaktadır. Buna göre
bitki ABC taşıyıcıları ABCA'dan ABCI'ya kadar
isimlendirilen bir sınıflandırma ile de alt ailelerine
ayrılmaktadır. Bitkilerde ABCH alt ailesine ait protein
yapılarına henüz rastlanmamıştır (Verrier ve ark.
2008).
BİTKİ ABC TAŞIYICI PROTEİNLERİNİN ALT
AİLELERİ
Bitki ABC taşıyıcıları içerisinde ABCB/MDR
(Multidrug Resistance Homologları) alt ailesi (PGlikoprotein Homologları) 22 tane Arabidopsis
thaliana ve 24 tane de Oryza sativa genomunda temsil
edilerek bitkilerde ikinci en büyük alt aileyi ve en
büyük tam-molekül (full transporter) alt ailesini
oluşturur (Garcia ve ark. 2004). İlk olarak insan kanser
hücrelerinde yüksek olarak ifade edildiğinde kanser
ilaçlarına karşın hücreyi koruyarak çoklu ilaç direnci
oluşturmasından dolayı bu isim verilmiştir. MDR alt
ailesi, TMD1-NBD1-TMD2-NBD2 yapısına sahip
ileri yönlü ve yaklaşık 1200 amino asit uzunluğuna
sahip olan proteinleri içerir. Bitkilerde MDR alt
ailesinin bireyleri ilk olarak tanımlandığında memeli
analoglarında olduğu gibi ilaç taşımada görev aldığı
düşünülse de, metabolik olarak farklı görevler aldığı
gösterilmiştir. Arabidopsis thaliana AtABCB1'in
herbisit direncinde görev aldığı düşünülse de
çalışılmanın devamında apikal meristemde oksin
taşınımında görev aldığı gösterilmiştir (Dudler ve
Hertig 1992). AtABC19'un silinmesi ile de apikal
dokularda oksin seviyesinin düşmesinden kaynaklı
kısmi cüce ve yaprak morfolojisi değişik bitkilerin
oluştuğu gözlemlenmiştir (Noh ve ark. 2001). Diğer
taraftan AtABC4 taşıyıcısının da özellikle kökte
lokalize olarak, kök uzamasını oksin taşınımına bağlı
olarak kontrol ettiği gösterilmiştir (Santelia ve ark.
2005). Bunun dışında Coptis japonica'da CjMDR1
proteininin berberin (benzylisoquinoline alkaloid)
taşınımı yaptığı ve ilk kez bir ökaryotik ABC
taşıyıcısının içeri yönlü taşınım yaptığı gösterilmiştir.
Berberinin ise rizomlarda depolanarak toprak kökenli
patojenlere karşı patojen direncinde kullanıldığı
gösterilmiştir (Shitan ve ark. 2003).
İkinci en büyük tam molekül taşıyıcılarını da
ABCC/MRP alt ailesi (Multidrug Resistance
Associated Homologları) oluşturur. 16 tane ile
Arabidopsis thaliana ve 17 tane ile de Oryza sativa
genomunda temsil edilmektedir (Garcia ve ark. 2004).
MDR alt ailesi gibi MRP alt ailesi de ileri yönlü
proteinleri içerir. Amino asit sayısı olarak MDR'den
daha fazla sayıda ortalama 1500 amino asitten
oluşurlar. Bunun nedeni ise yapısından bulunan üç
farklı ekstra protein domainidir. Bunlardan ilki N'
ucunda yaklaşık 200 amino asitlik bir bölgeyi
oluşturan ek bir TMD domainidir (TMD0). TMD0
domaininin taşınacak maddelerin doğru olarak
hedeflenmesinde ve kanal yapısı içerisindeki
hareketinin sağlanmasında görev aldığı gösterilmiştir.
Bir bağlayıcı (linker -L- domain) ise ilk NBD
domaininden (NBD1) sonra bulunur Üçüncü yapı ise
C ucundaki ilave uzamadır (TMD0-TMD1-NBD1-LNBD2-TMD2-C) (Theodoulou 2000; Rea ve ark.
2003; Schulz ve Kolukisaoglu 2006; Rea 2007). Bu alt
ailede insanda bulunan CI- iyon kanalı ABCC7
(CFTR/cystic fibrosis transmembrane conductance
regulator) nokta mutasyona uğraması sonucunda
sistik fibrozis hastalığına neden olmaktadır (Gadsby
ve ark. 2006).
ABCC/MRP alt ailesinde bulunan proteinlerin
önemi, ilgili maddelerin taşıma işinde görev
almalarının yanı sıra diğer taşıyıcıların
fonksiyonlarına da yardımcı olmalarıdır. Bitkilerde
MRP alt ailesinde memeli analoglarında olduğu gibi
glutatyon konjugatlarının taşınmasında görev alan
proteinler bulunur. Arabidopsis thaliana AtABCC1 ve
AtABCC2 tonoplast üzerinde lokalize olarak,
ksenobiyotiklerin vakuol içeresinde depolanmasını
sağladıkları gösterilmiştir (Geisler ve ark. 2005).
Ayrıca AtABCC2'nin yaprak yaşlanmasında
(senesence) oluşan endojen kaynaklı toksinlerin
depolanmasında da görev yaptığı bildirilmiştir
(Sanchez-Fernandez ve ark. 2001). İnsan da iyon
taşınmasında görev alan yapıların benzer görevlerinin
Arabidopsis thaliana AtABCC4 ve AtABCC5
stomaların açılıp kapanmasında görev yapan bekçi
hücrelerinin zarında bulunarak kontrol edilmesinde de
görev alırlar. Bu proteinlerin silinmesi ile yapılan
deneylerde bitkinin kuraklığa direncinin azaldığı
gösterilmiştir (Gaedeke ve ark. 2001).
Tam moleküllerin üçüncü grubunu ABCG/PDR
(Pleiotropic Drug Resistance Homologları) alt ailesi
oluşturur ve bitkiler ile maya haricinde henüz örneği
bulunmamaktadır. PDR proteinleri MDR yapısında
41
Bitkilerde Atp Bağlı Kaset (ABC) Taşıyıcı Proteinlerinin Yapısal Özellikleri
ortalama 1500 amino asit büyüklüğünde fakat ters
yönlüdür (NBD1-TMD1-NBD2-TMD2).
Arabidopsis thaliana ve Oryza sativa genomlarında
sırasıyla 15 ve 23 tane bulunmaktadır. İnsan
genomunda bulunmamasına rağmen ökaryotik
sınıflandırmada patojen direnci sağlayan yapıların
salgılanmasında görev aldıkları için analog yapıları
barındıran ABCG alt ailesi içerisinde yer alır. PDR'nin
evrimsel olarak WBC (White Brown Complex
Homologları) alt ailesinden gen duplikasyonu ile
oluştuğu düşünülmektedir. Karakterize edilen ilk PDR
Spirodella polyrhiza SpTUR2'dir. Proteinin absisik
asit ve soğuk ile kontrol edilebildiği ve bu şekilde
abiyotik stres cevabında görev aldığı gösterilmiştir
(Smart ve Fleming 1996). Abiyotik strese cevap veren
diğer bir protein ise Oryza sativa OsPDR9'dur. Protein
köklerdeki ifadesinin ozmotik ve tuz stresleri ile
kontrol edildiği gösterilmiştir (Moons 2003). Ayrıca
Arabidopsis thaliana AtABCG40 ifadesinin kurşun
stresinde arttığı ve rekombinant olarak yüksek miktar
üretildiği bitkilerde yüksek kurşun direnci geliştirdiği
gösterilmiştir (Lee ve ark. 2005). Nicotina tabacum
NtPDR3'ün ise demir yoksunluğunda ifadesinin
arttığı ve olası bir demir alım taşıyıcı olduğu
düşünülmektedir (Ducos ve ark. 2005; Yazaki ve ark.
2009).
Diğer taraftan PDR proteinlerinin biyotik
streslere karşı ve bitki savunmasında da görev aldığı
gösterilmiştir. Nicotina plumbaginifolia NpPDR1'in
yaprak yüzeyinde verilen ve patojen direnç sağlayan
sclareol taşınmasında görev aldığı gösterilmiştir
(Stukkens ve ark. 2005). Diğer taraftan PDR alt
ailesinin hormonlar ile de kontrol edilebildiği
AtPDR12, OsPDR9 ve NpPDR1'in salisilik asit ve
etilene verdiği cevap ile gözlenmiştir. Patojen
direncinde ise AtPDR12'nin fungus varlığında,
ifadesinin yüksek oranda arttığı gözlenmiştir (Yazaki
ve ark. 2009).
ABCA/AOH (ABCA1 Homologları)
Arabidopsis thaliana genomunda sadece bir tane
bulunur; AtAOH1 (AtABCA1). Buna karşın Oryza
sativa veya maya genomunda herhangi bir karşılığına
rastlanmamıştır (Sanchez-Fernandez ve ark. 2001;
Garcia ve ark. 2004). Yapısal olarak tam-molekül ve
ileri yönlü bir protein yapısına sahip olmasına rağmen
ilk NBD'den sonra geniş bir bağlayıcı (L-domain)
yapıya sahiptir. Bu nedenle büyüklük olarak taşıyıcılar
içerisinde yaklaşık 1800 amino asit ile ilk sıralarda yer
alır. İnsan ABCA1 lipit taşınımından sorumludur,
mutasyonu Tangier hastalığına neden olmaktadır ve
lipoprotein birikiminden kaynaklıdır (Bodzioch ve
ark. 1999). Bitkilerde de insanda olduğu gibi AOH'ın
tohum olgunlaşmasında ve çimlenmede lipit
taşınımından sorumlu olduğu düşünülmektedir
(Sanchez-Fernandez ve ark. 2003).
ABCG/WBC (White-Brown Complex
Homologları) Arabidopsis thaliana ve Oryza sativa
genomlarında sırasıyla 29 ve 30 adet olmak üzere
bulunurlar (Sanchez-Fernandez ve ark. 2001; Garcia
42
ve ark. 2004). Ters yönelime sahip (NBD-TMD) ve
yarım molekül yapısında olan WBC ökaryotik
sınıflandırmada ABCG alt ailesi içerisinde
bulunmaktadır ve en büyük bitki ABC taşıyıcı protein
alt ailesini oluşturur. WBC alt ailesi Drosophila'da
renk pigmentlerinin taşıyıcısı olarak tanımlandığı için
bu şekilde isimlendirilmiştir. İnsanda ABCG alt ailesi
fosfolipit ve kolesterol taşınımında görev almaktadır.
Bitkilerde ise ABCG/WBC alt ailesi insandaki
homologları ile benzer görevler yapmaktadır.
Arabidopsis thaliana AtABCG11 ve AtABCG12'nin
yaprak yüzeyi kutikula tabakasına lipit taşınmasında
görev aldığı gösterilmiştir. Ayrıca AtABCG11'in
normal bitki, gelişimi üzerinde de kontrolü olduğu
bulunmuştur (Bird ve ark. 2007). Diğer taraftan
transgenik bitkilerde AtABCG19'un yüksek olarak
ifadesi, kanamisine direnç geliştirmiştir (Mentewab
ve Stewart 2005). Gossypium hirsutum GhWBC1'in
çiçek ve tohumlarda ifade olduğu ve baskılandığında
düşük tohum sayısı oluştuğu (Zhu ve ark. 2003) ve
Nicotina tabacum NtWBC1'in ise seçici bir şekilde
çiçeğin stigma ve anterinde ifade olduğu gösterilmiştir
(Otsu ve ark. 2004).
ABCA/ATH (ABC2 Homologları) alt ilesi
yarım taşıyıcılar içerisinde yer alır. Her ne kadar
ökaryotik ABCA ailesi tam molekül taşıyıcıları içerse
de işlevsel benzerlikleri bu grupta yer almasını
sağlamıştır. Arabidopsis thaliana genomunda 11 ve
Oryza sativa genomunda da 6 üyesi bulunan ATH ilaç
direnci ile ilgili taşıma işinde görev alır (SanchezFernandez ve ark. 2001; Rea ve ark. 2003; Rea 2007).
ABCB/ATM (Mitokondriyal ABC taşıyıcıları
Homologları) ileri yönlü yarım molekül taşıyıcılardır
ve mitokondri membranı üzerinde görev yaparlar. 3
tane Arabidopsis thaliana ve 1 tane de Oryza sativa
genomunda bulunan ATM demir atılımında görev
almaktadır (Theodoulou 2000; Rea ve ark. 2003;
Garcia ve ark. 2004).
ABCB/TAP alt ailesi (Antijen Üretimi ile ilgili
Taşıyıcıların Homologları) ileri yönlü yarım molekül
taşıyıcılardır. Arabidopsis thaliana ve Oryza sativa
genomlarında 3'er tane bulunan TAP endoplazmik
retikulum zarından antijenik peptitlerin
salgılanmasından sorumludur (Theodoulou 2000; Rea
ve ark. 2003; Garcia ve ark. 2004).
ABCD/PMP (Peroxisomal Membrane Protein
Homologları) peroksizom zarında bulunarak yağ
asitlerinin ve asetil co-A taşınımında görev alır.
Arabidopsis thaliana'da 1 yarım molekül ve 1 tam
molekül ile ve Oryza sativa'da 2 tam molekül ve 1
yarım molekül ile temsil edilmektedir. AtABCD1 ileri
yönlü tam molekül bir taşıyıcıdır ve tonoplastta yer
alarak görev yapar (Theodoulou 2000; Rea ve ark.
2003; Garcia ve ark. 2004; Yazaki ve ark. 2009).
Taşıma işinde görev yapmayan, çözünür
durumda olup zarda bulunmayan ve TMD
bulundurmayan diğer alt ailelerden ABCE/RLI
(RNaz-L İnhibitör Homologları) 2 NBD'nin füzyonu
ile oluşmuştur ve TMD bulundurmazlar. Arabidopsis
Çakır ve Kılıçkaya
thaliana ve Oryza sativa genomlarında ikişer adet
bulunan RLI ökarya ve arkede korunmuştur. Bu alt
ailenin bireylerinin genel olarak RNA interferans ve
RNA susturulmasında görev aldığı düşünülmektedir.
Arabidopsis thaliana AtABCE2'nin hemen hemen
tüm dokularda ifade olduğu ve RNA susturulmasını
hem lokal, hem de tüm dokularda baskıladığı
gösterilmiştir (Braz ve ark. 2004; Sarmiento ve ark.
2006).
ABCF/GCN (Maya GCN-20 Homologları) ise
insanda enfeksiyon sonrası protein sentezinin
artırılmasında görev alır. Arabidopsis thaliana ve
Oryza sativa genomlarında 5'er adet bulunmaktadır.
Arabidopsis thaliana AtABCF1, AtABCF4 ve
AtABCF5'in yaprak ve kökte, AtABCF'nin ise
özellikle polen ve anterlerde ifade olduğu,
AtABCF'nin ise kök, polen ve anterlerde yüksek
derecede ifade olduğu gösterilmiştir. Fizyolojik
görevleri ise henüz aydınlatılamamıştır (Yazaki ve
ark. 2009).
Son çözünür ABC proteini alt ailesini ise SMC
(Kromozom Yapısal Onarım Homologları) oluşturur.
Yapısında bulunan NBD'nin parçalanmış şekilde
bulunmasından dolayı ve bitkiler haricinde iki Walker
dizisi arasında ABC imzası taşımadığı için tam olarak
ABC proteinleri içerisinde gösterilmez. Kromozom
yapısal kontrolü, DNA hasarı ve tamiri konularında
görev alır. Arabidopsis thaliana genomu 3 tane SMC
içermektedir ve fonksiyonları henüz
aydınlatılmamıştır (Sanchez-Fernandez ve ark. 2001;
Rea ve ark. 2003; Rea 2007; Verrier ve ark. 2008).
Kendi aralarında ve diğer alt aileler ile hiçbir
benzerliği bulunmayan protein yapıları ise sadece bir
tane NBD taşıyan ABCI/NAP (Non Intrinsic ABC
Taşıyıcıları) alt ailesi oluşturur. Görevleri tam olarak
bilinmeyen bu alt ailede farklı görevler alabilen
proteinler bulunur. Arabidopsis thaliana AtABCI8
plastidlere lokalize olan bir ABC taşıyıcı proteinidir.
Plastidlerde tanımlanmayan bir TMD ile kanal
oluşturarak klorofil öncülü protoporfirin IX'un
kloroplast zarından stromalara taşınımından sorumlu
olduğu düşünülmektedir. AtABCI1 ise mitokondrinin
iç zarında lokalize olarak, homoloğu olan AtABCI2 ile
etkileşerek sitokrom c olgunlaşmasında görev aldığı
gösterilmiştir (Xu ve Möller 2004; Yazaki ve ark.
2009).
SONUÇ
Hareketli bir yaşam olanağına sahip olmayan
bitkilerin çevreden gelecek her türlü stresi
aşabilmesini sağlayan farklı mekanizmalardan biri
olan ABC taşıyıcı proteinleri hem metabolizma
sonucu oluşan ikincil metabolitlerin atılımından hem
de dışarı kaynaklı toksinlerin atılımından sorumlu
olduğu için fizyolojik anlamda oldukça önemlidir.
Bunun dışında ABC proteinleri ekonomik değeri
yüksek bitkilerin üretimi ve patojenlerden korunması
açısından da önemli bir araç olarak görülmesi
gerekmektedir. Bu konuda yapılacak çalışmalar ürün
veriminin yükseltilmesi, patojen dirençli türlerin
üretilmesi ve besin değerlerinin artırılması gibi
konulara da fayda sağlayacaktır.
KAYNAKLAR
Bird, D., F. Beisson, A. Brigham, J. Shin, S. Greer, R. Jetter,
L. Kunst, X. Wu, A. Yephremov, L. Samuels. 2007.
Characterization of Arabidopsis ABCG11/WBC11, an
ATP binding cassette (ABC) transporter that is required
for cuticular lipid secretion. The Plant Journal 52(3):
485-498.
Bodzioch, M., E. Orso, J. Kluchen, T. Langsman, A.
Böttcher, W. Dietrich, W. Drobnik, S. Barlage, C.
Büchler, M. Porsch-Özcürümez, W. E. Kaminski, H. W.
Hahmann, K. Oette, G. Rothe, C. Aslanidis, K. J.
Lackner, G. Schmitz. 1999. The gene encoding ATPbinding cassette transporter 1 is mutated in Tangier
disease. Nature Genetics 22: 347-351.
Braz, A. S. K., J. Finnegan, P. Waterhouse, R. Margis. 2004.
A Plant Orthologue of RNase L Inhibitor (RLI) Is
Induced in Plants Showing RNA Interference. Journal
of Molecular Evolution 59(1): 20-30.
Ducos, E., A. S. Fraysse, M. Boutry. 2005. NtPDR3, an irondeficiency inducible ABC transporter in Nicotiana
tabacum. FEBS Letters 579(30): 6791-6795.
Dudler, R. and C. Hertig 1992. Structure of an mdr-like gene
from Arabidopsis thaliana. Evolutionary implications.
Journal of Biological Chemistry 267(9): 5882-5888.
Fath, M. J. and R. Kolter 1993. ABC transporters: bacterial
exporters. Microbiological Reviews 57(4): 995-1017.
Gadsby, D. C., P. Vergani, L. Csanady. 2006. The ABC
protein turned chloride channel whose failure causes
cystic fibrosis. Nature 440(7083): 477-483.
Gaedeke, N., M. Klein, 2001. The Arabidopsis thaliana
ABC transporter AtMRP5 controls root development
and stomata movement. EMBO J 20(8): 1875-1887.
Garcia, O., P. Bouige, U. Kolukisaoglu, C. Forestier, A.
Müller, M. Ansorge, D. Becker, Y. Mamnun, K.
Kuchler, B. Schulz, B. Mueller-Roeber, E. Martinoia.
2004. Inventory and Comparative Analysis of Rice and
Arabidopsis ATP-binding Cassette (ABC) Systems.
Journal of Molecular Biology 343(1): 249-265.
Geisler, M., J. J. Blakeslee, R. Bouchard, O. R. Lee, V.
Vincenzetti, A. Bandyopadhyay, B. Titapiwatanakun,
W. A. Peer, A. Bailly, E. L. Richards, K. F. K. Ejendal,
A. P. Smith, C. Baroux, U. Grossniklaus, A. Müller, C.
A. Hrycyna, R. Dudler, A. S. Murphy, E. Martinoia.
2005. Cellular efflux of auxin catalyzed by the
Arabidopsis MDR/PGP transporter AtPGP1. The Plant
Journal 44(2): 179-194.
Higgins, C. F. 1992. ABC Transporters: From
Microorganisms to Man. Annual Review of Cell
Biology 8(1): 67-113.
Higgins, C. F. and K. J. Linton 2003. ABC Transporters: An
Introduction and Overview, In ABC Proteins (I. B.
Holland, P. C. C. Susan, K. Karl, S. P. C. C. K. K.
Christopher F. Higgins I. Barry Holland and F. H.
Christopher eds). Academic Press, pp. xvii-xxiii
London.
Jones, P. M., M. L. O'Mara, A. M. George. 2009. ABC
transporters: a riddle wrapped in a mystery inside an
enigma. Trends in Biochemical Sciences 34(10): 520531.
43
Bitkilerde Atp Bağlı Kaset (ABC) Taşıyıcı Proteinlerinin Yapısal Özellikleri
Lee, M., K. Lee, J. Lee, E. W. Noh, Y. Lee. 2005. AtPDR12
Contributes to Lead Resistance in Arabidopsis. Plant
Physiology 138(2): 827-836.
Licht, A. and E. Schneider 2011. ATP binding cassette
systems: structures, mechanisms, and functions.
Central European Journal of Biology 6(5): 785-801.
Linton, K. J., M. F. Rosenberg, I. D. Kerr, C. F. Higgins.
2003. Structure of ABC Transporters, In ABC Proteins
(I. B. Holland, P. C. C. Susan, K. Karl, S. P. C. C. K. K.
Christopher F. Higgins I. Barry Holland and F. H.
Christopher eds). Academic Press pp. 65-80, London.
Liu, G., R. Sanchez-Fernandez, Z. Li, P. A. Rea. 2001.
Enhanced Multispecificity of Arabidopsis Vacuolar
Multidrug Resistance-associated Protein-type ATPbinding Cassette Transporter, AtMRP2. Journal of
Biological Chemistry 276(12): 8648-8656.
Locher, K. P. 2004. Structure and mechanism of ABC
transporters. Current Opinion in Structural Biology
14(4): 426-431.
Lodish, H., A. Berk, P. Matsudaira, C. Kaiser, M. Krieger, M
.Schott, L. Zipursky, J. Darnell. 2003. Biomembranes
and Cell Architecture, In Molecular Cell Biology. W. H.
Freeman and Company pp. 147-196 New York.
Mentewab, A. and C. N. Stewart 2005. Overexpression of an
Arabidopsis thaliana ABC transporter confers
kanamycin resistance to transgenic plants. Nat Biotech
23(9): 1177-1180.
Moons, A. 2003. Ospdr9, which encodes a PDR-type ABC
transporter, is induced by heavy metals, hypoxic stress
and redox perturbations in rice roots. FEBS Letters
553(3): 370-376.
Noh, B., A. S. Murphy, E. P. Spalding. 2001. Multidrug
Resistance-like Genes of Arabidopsis Required for
Auxin Transport and Auxin-Mediated Development.
The Plant Cell Online 13(11): 2441-2454.
Oswald, C., I. Holland, L. Schmitt. 2006. The motor
domains of ABC-transporters. NaunynSchmiedeberg's Archives of Pharmacology 372(6):
385-399.
Otsu, C. T., I. da Silva, J. B. de Molfetta, L. R. da Silva, J. de
Almeida-Engler, G. Engler, P. C. Torraca, G. H.
Goldman, M. H. Goldman, 2004. NtWBC1, an ABC
transporter gene specifically expressed in tobacco
reproductive organs. Journal of Experimental Botany
55(403): 1643-1654.
Purves, W., D. Sadava, G. Orians, C. Heller. 2000. Cellular
Membranes. Lİfe: The Science of Biology. W. H.
Freeman pp. 74-94 Virginia.
Rea, P. A. 2007. Plant ATP-Binding Cassette Transporters.
Annual Review of Plant Biology 58(1): 347-375.
Rea, P. A., R. Sanchez-Fernandez, S. Chen, M. Peng, M.
Klein, M. Geisler, E. Martinoia, 2003. The Plant ABC
Transporter Superfamily: The Functions of a Few and
Identities of Many, In ABC Proteins (I. B. Holland, P. C.
C. Susan, K. Karl, S. P. C. C. K. K. Christopher F.
Higgins I. Barry Holland and F. H. Christopher eds).,
Academic Press pp. 335-355 London.
Rees, D. C., E. Johnson, O. Lewinson. 2009. ABC
transporters: the power to change. Nat Rev Mol Cell
Biol 10(3): 218-227.
Sanchez-Fernandez, R., T. G. E. Davies, J. O. D. Coleman, P.
A. Rea. 2001. The Arabidopsis thaliana ABC Protein
Superfamily, a Complete Inventory. Journal of
Biological Chemistry 276(32): 30231-30244.
Santelia, D., V. Vincenzetti, E. Azzarello, L. Bovet, Y.
Fukao, P. Dachtig, S. Mancuso, E. Martinoia, M.
44
Geisler. 2005. MDR-like ABC transporter AtPGP4 is
involved in auxin-mediated lateral root and root hair
development. FEBS Letters 579(24): 5399-5406.
Sarmiento, C., L. Nigul, S. Chen. 2006. AtRLI2 is an
Endogenous Suppressor of RNA Silencing. Plant
Molecular Biology 61(1): 153-163.
Schulz, B. and H. U. Kolukisaoglu 2006. Genomics of plant
ABC transporters: The alphabet of photosynthetic life
forms or just holes in membranes? FEBS Letters
580(4): 1010-1016.
Shitan, N., I. Bazin, K. Dan, K. Obata, K. Kigawa, K. Ueda,
F. Sato, C. Forestier, K. Yazaki. 2003. Involvement of
CjMDR1, a plant multidrug-resistance-type ATPbinding cassette protein, in alkaloid transport in Coptis
japonica. Proceedings of the National Academy of
Sciences 100(2): 751-756.
Smart, C. C. and A. J. Fleming 1996. Hormonal and
Environmental Regulation of a Plant PDR5-like ABC
Transporter. Journal of Biological Chemistry 271(32):
19351-19357.
Stukkens, Y., A. Bultreys, S. Grec, T. Trombik, D. Vanham,
M. Boutry. 2005. NpPDR1, a Pleiotropic Drug
Resistance-Type ATP-Binding Cassette Transporter
from Nicotiana plumbaginifolia, Plays a Major Role in
Plant Pathogen Defense. Plant Physiology 139(1): 341352.
Theodoulou, F. L. 2000. Plant ABC transporters. Biochimica
et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes
1465(1–2): 79-103.
Varadi, A., G. E. Tusnady, B. Sarkadi. 2003. Membrane
Topology of the Human ABC Transporter Proteins, In
ABC Proteins (I. B. Holland, P. C. C. Susan, K. Karl, S.
P. C. C. K. K. Christopher F. Higgins I. Barry Holland
and F. H. Christopher eds). Academic Press, pp. 37-46,
London.
Verrier, P. J., D. Bird, B. Burla, E. Dassa, C. Forestier, M.
Geisler, M. Klein, U. Kolukisaoglu, Y. Lee, E.
Martinoia, A. Murphy, P. A. Rea, L. Samuels, B.
Schulz, P. E. Spalding, K. Yazaki, F. L. Theodoulou.
2008. Plant ABC proteins: a unified nomenclature and
updated inventory. Trends in Plant Science 13(4): 151159.
Xu, X. M. and S. G. Möller 2004. AtNAP7 is a plastidic
SufC-like ATP-binding cassette/ATPase essential for
Arabidopsis embryogenesis. Proceedings of the
National Academy of Sciences of the United States of
America 101(24): 9143-9148.
Yazaki, K., N. Shitan, A. Sugiyama, K. Takanashi. 2009.
Cell and Molecular Biology of ATP-Binding Cassette
Proteins in Plants. International Review of Cell and
Molecular Biology. W. J. Kwang, Academic Press.
Volume 276: 263-299.
Zhu, Y.-Q., K.-X. Xu, B. Luo, J.-W. Wang, X.-Y. Chen. 2003.
An ATP-Binding Cassette Transporter GhWBC1 from
Elongating Cotton Fibers. Plant Physiology 133(2):
580-588.
Sorumlu Yazar
Birsen ÇAKIR
Geliş Tarihi
Kabul Tarihi
: 16.03.2012
: 08.05.2012

Benzer belgeler